關(guān)于高中化學(xué)《二氧化硅和硅酸》三個教學(xué)難點的研究述評？鄢

黃毓展++錢揚義++蔡立媚

摘要：硅元素及其化合物的教學(xué)是高中化學(xué)課程中的重要課題，分析探討課題的教學(xué)難點問題具有較高的研究價值。本研究首先從文獻研究入手，基于中國期刊網(wǎng)2000-2016年的49篇與高中化學(xué)《二氧化硅和硅酸》教學(xué)研究相關(guān)的文獻，對其研究概況中的研究趨勢以及研究內(nèi)容分布進行統(tǒng)計分析，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對深圳市某中學(xué)高一年級兩個班級共88名學(xué)生進行開放式問卷調(diào)查，確立學(xué)生在本課時學(xué)習(xí)中的三個難點問題，即二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)、二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)教學(xué)以及硅元素的應(yīng)用教學(xué)，著重分析其在教材和文獻中的教學(xué)方法，最后結(jié)合文獻分析對《二氧化硅和硅酸》中的三個教學(xué)重難點的突破提出建議。

關(guān)鍵詞：硅元素；結(jié)構(gòu)教學(xué)；性質(zhì)教學(xué)；應(yīng)用教學(xué)；教學(xué)綜述

文章編號：1008-0546（2017）07-0000-00 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.000

一、問題的提出

硅元素作為當今互聯(lián)網(wǎng)時代高速發(fā)展的決定性元素，作為無機非金屬材料的主角，是學(xué)生從學(xué)習(xí)金屬元素過渡到非金屬元素的開端，近年來在教材中的地位越發(fā)突出。本文以硅的相關(guān)教學(xué)研究論文作為對象，對其已有的教學(xué)研究概況進行簡要概述。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對一線教師的訪談記錄以及對學(xué)生的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在這節(jié)課的學(xué)習(xí)中普遍存在三個問題：（1）對二氧化硅的結(jié)構(gòu)認識不到位，不理解為什么二氧化硅屬于原子晶體而不是分子晶體，且既然二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)為硅氧四面體結(jié)構(gòu)，但其硅氧原子的個數(shù)不是1∶4而是1∶2；（2）關(guān)于二氧化硅和氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)問題，為什么盛放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，但試劑瓶本身卻是玻璃制品；（3）硅元素各種化合物的應(yīng)用問題，學(xué)生非常容易混淆。針對這三個難點問題，本文對教材和已有文獻中采用的教學(xué)方法以及教學(xué)手段進行歸納分析，結(jié)合已有的文獻，提出微教學(xué)設(shè)計的思路，以供教學(xué)參考。

二、無機非金屬材料的主角——硅》的教學(xué)研究概況

1. 教學(xué)研究趨勢分析

本文從文獻研究入手，以“硅元素”、“二氧化硅”、“硅酸鹽”、“結(jié)構(gòu)”、“性質(zhì)”以及“應(yīng)用”等作為關(guān)鍵詞進行組合，檢索2000 -2016年17年來中國期刊網(wǎng)上相關(guān)教學(xué)文獻，截止2016年9月，共搜得49篇文獻，其中包括期刊文獻44篇，碩士論文3篇，會議記錄2篇、博士論文0篇。以下是按年份對論文數(shù)量進行統(tǒng)計，見圖1。

從圖1可以看出，在2000年至2015年16年間，有關(guān)硅的教學(xué)研究文獻數(shù)量總體趨勢是增長的，說明了隨著硅及其相關(guān)化合物廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)及材料科學(xué)中，更多教學(xué)工作者對硅的教學(xué)也給予更多的關(guān)注。硅的教學(xué)研究文獻多發(fā)表于《化學(xué)教學(xué)》、《化學(xué)教育》、《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》這種的課程教學(xué)期刊上，2009年首次出現(xiàn)與硅相關(guān)的碩士論文，這是一個新的突破。然而，關(guān)于硅的教學(xué)研究論文，鮮有研究者對其進行持續(xù)深入的研究，也沒有相關(guān)博士論文出現(xiàn)，這為以后其他研究者提供一個方向。

2. 教學(xué)研究內(nèi)容分布

在研讀以上文獻的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納有關(guān)“硅”的教學(xué)研究文獻的內(nèi)容，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在49篇文獻中，主要分為四類，分別是：（1）、硅及其化合物的結(jié)構(gòu)教學(xué)探討；（2）、硅及其化合物的相關(guān)實驗教學(xué)改進；（3）、硅及其化合物的教與學(xué)設(shè)計；（4）、硅及其化合物的教學(xué)理論反思，其分布趨勢如圖2。

通過統(tǒng)計在硅的教學(xué)研究相關(guān)文獻中，教與學(xué)的設(shè)計是最多教學(xué)工作者關(guān)注的一部分，有22篇文獻，占總數(shù)的44.9%；其次是教學(xué)理論反思，有14篇文獻，占總數(shù)的31.1%。對于相關(guān)實驗教學(xué)改進研究，只有8篇文獻；而硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)研究，則更少人關(guān)注，僅找到5篇文獻。分析其原因是由于教材中對于二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)以及實驗教學(xué)這兩方面涉及不多，課標等的相關(guān)要求不高，導(dǎo)致教師們對于這兩方面的教學(xué)研究有所忽略。

三、教學(xué)難點問題的確立與分析

1. 教學(xué)難點問題的確立

（1）訪談高中一線化學(xué)教師

在對教學(xué)文獻進行粗讀后，筆者針對此課例在實施過程中的教師發(fā)現(xiàn)的教學(xué)重難點問題，在廣東省2014年中小學(xué)骨干教師省級培訓(xùn)中學(xué)化學(xué)研修班項目中，對來自廣東省各地區(qū)不同層次高中的42名一線骨干教師進行隨機訪談，訪談一線教師在本課例教學(xué)過程中認為的難點問題以及解決方法。其中有37名教師提到關(guān)于二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)的問題，由于目前高一的學(xué)生沒學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，分不清什么是原子晶體、什么是分子晶體，對于為什么沒有SiO2分子以及SiO2是化學(xué)式，僅表示物質(zhì)組成，而不能表示分子組成，這些類似的問題，學(xué)生很難理解，高一的時候由于課程安排等原因，一般也不深入講解，就讓學(xué)生記住結(jié)論。另外，也有22名老師提到，學(xué)生在含硅元素的應(yīng)用上，經(jīng)常混淆，特別是光纖和半導(dǎo)體材料的主要成分；而這一塊解決的方法主要以練習(xí)熟記為主。

（2）學(xué)生難點問題開放式調(diào)查

為了更準確地確定學(xué)生的學(xué)習(xí)難點，本研究課例采用了先學(xué)后教的教學(xué)方式。即在課前利用教師自制的教學(xué)視頻以及學(xué)案，由學(xué)生先進行自學(xué)；并收集學(xué)生完成的學(xué)案，統(tǒng)計學(xué)生提出的問題。學(xué)案的最后通過一個開放性的問題“關(guān)于本節(jié)課你還有什么疑問，提出來匯總到課代表處”，了解學(xué)生其他學(xué)困點，防止由于學(xué)案設(shè)計考慮不完整而影響對學(xué)生關(guān)于知識的掌握請況的判斷。研究對象為深圳市某市屬中學(xué)的高一級理科學(xué)生，共兩個班88人，參與課堂人數(shù)為88人；學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過金屬及其化合物的知識，對學(xué)習(xí)元素化合物的方法有了一定基礎(chǔ)；由于該校較重視信息技術(shù)的課程，研究對象對利用電腦教學(xué)視頻進行學(xué)習(xí)在技術(shù)上基本不存在問題；該校屬于深圳市屬的前列，學(xué)生自學(xué)能力較于其他同齡者屬于前列。

通過分析學(xué)生完成的學(xué)案，教學(xué)者收集并整理分析學(xué)案中學(xué)生比較集中的錯誤；在本次研究中參與課前自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)者總?cè)藬?shù)是88人，上交的學(xué)案總共有88份，通過整理分析，學(xué)生的主要提問可以分為兩大類，第一類是二氧化硅的結(jié)構(gòu)問題：有31人提及二氧化硅是原子晶體，二氧化碳是分子晶體，兩種晶體怎么判斷？有什么不同？而有44人提到為什么硅氧四面體硅氧比是1∶4，但由硅氧四面體構(gòu)成的二氧化硅，硅氧比卻是1∶2？第二類是二氧化硅的性質(zhì)問題：有76人提及，盛放堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，但試劑瓶本身就是玻璃制品，是不是矛盾了？類似的問題還有，硅的還原性要比碳強，但是卻能發(fā)生以下的反應(yīng)：2C+SiO2 =Si+2CO（高溫），是不是也矛盾了？有18人提及，這些問題本質(zhì)上就是化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)條件的關(guān)系的問題。

根據(jù)教師訪談與學(xué)生提問統(tǒng)計，確立以下三個問題為本節(jié)課難點問題，對所查閱到的文獻中，針對這三個難點問題的教學(xué)情況進行分析。

2. 教學(xué)難點問題的分析

（1）難點問題一：二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)狀況分析

關(guān)于二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)，人教版高中化學(xué)的教材中，首先在前言提及了硅元素的原子結(jié)構(gòu)，說明其與碳原子相似具有穩(wěn)定性；然后通過科學(xué)視野欄目介紹二氧化硅的硅氧四面體結(jié)構(gòu)，指出二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)是由Si和O按1∶2的比例所組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。學(xué)生在學(xué)習(xí)二氧化硅的結(jié)構(gòu)的時候，由于缺少必要的化學(xué)鍵和晶體方面的知識，對于二氧化硅為什么屬于原子晶體這一事實難以理解，特別是不理解為什么二氧化硅的基本結(jié)構(gòu)單位是硅氧四面體，但是硅氧個數(shù)比卻是1∶2。

在對期刊文獻進行分析統(tǒng)計后，有4篇文獻專門探討了硅及二氧化硅結(jié)構(gòu)教學(xué)，主要有兩種：第一是對比-聯(lián)想的方法[1-2]，由金剛石與二氧化硅的結(jié)構(gòu)對比講解；第二則是從晶體化學(xué)計算的角度去講解二氧化硅的硅氧原子個數(shù)比為1∶2的原因[3-4]。而在20篇教學(xué)案例文獻中，僅6篇教學(xué)設(shè)計涉及了二氧化硅的結(jié)構(gòu)教學(xué)，其中謝意純、張艷艷[5-8]等老師是采用在課堂上展示硅氧四面體結(jié)構(gòu)的圖片，加以講解輔助教學(xué)，葉東輝老師[9]則采用了二氧化硅的結(jié)構(gòu)模型展示輔助教學(xué)，而南京的江敏老師[10]，則通過對地球的各種元素之間的含量計算，以一個比較新穎的角度，去說明硅氧之間的比例關(guān)系。

總體來看二氧化硅結(jié)構(gòu)教學(xué)在這些案例中教師均是略作講解，把二氧化硅屬于原子晶體，以及硅氧個數(shù)比為1：2這些知識點直接講授給學(xué)生，學(xué)生在教學(xué)過程中被動地接受知識，至于硅氧四面體實際的晶體模型卻不甚了解。

（2）難點問題二：二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)教學(xué)情況分析

在二氧化硅的性質(zhì)教學(xué)中，主要涉及了二氧化硅作為酸性氧化物具有的性質(zhì)，包括共性（與強堿反應(yīng)，與堿性氧化物反應(yīng)）和特性（不與水反應(yīng)，會與氫氟酸反應(yīng)）。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了同主族碳的氧化物二氧化碳的性質(zhì)，具備了一定的有關(guān)酸性氧化物性質(zhì)的基礎(chǔ)知識，因此在學(xué)習(xí)二氧化硅的性質(zhì)時，通過聯(lián)想和對比，在方程式上的書寫掌握情況是比較好的。

然而通過訪談和學(xué)生問卷的結(jié)果顯示，學(xué)生在學(xué)習(xí)二氧化硅的性質(zhì)的時候，普遍都對二氧化硅與氫氧化鈉的反應(yīng)存在疑問。人教版教材中關(guān)于二氧化硅與氫氧化鈉的反應(yīng)，安排了一個圖片，設(shè)置了問題“為什么實驗室盛放氫氧化鈉溶液的試劑瓶用橡膠塞而不用玻璃塞”，通過學(xué)習(xí)學(xué)生可以了解這是由于玻璃塞中二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)生成了硅酸鈉，會黏住瓶口，而學(xué)生的疑問是：試劑瓶本身也是玻璃制品，主要成分也是二氧化硅，為什么卻可以用來盛放氫氧化鈉溶液？類似的問題還有，硅的還原性要比碳強，但是卻能發(fā)生以下的反應(yīng)：2C+SiO2 =Si+2CO（高溫），是不是也矛盾了？實質(zhì)上也是化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生與條件的關(guān)系的問題，弄清這一點，對學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)原理的理解是有所幫助的。

這些看似矛盾的問題，教材并未對此進行討論。在所查閱到的文獻，對于二氧化硅和氫氧化鈉的反應(yīng)，教師只強調(diào)了玻璃塞和橡膠塞的問題，對于試劑瓶的問題，沒有一篇教學(xué)案例設(shè)計文獻提及。

（3）難點問題三：硅元素的應(yīng)用教學(xué)情況分析

人教版必修一教材中，硅元素則作為非金屬元素學(xué)習(xí)的開端，由于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展以及材料科學(xué)的進步，硅及其化合物在建筑、通訊、光電以及航空航天領(lǐng)域有著不可替代的作用，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該更突出其非金屬材料的主角其地位更加凸顯。

在含硅元素應(yīng)用的講解，關(guān)于教學(xué)活動安排上，大部分教師采用播放視頻的形式，讓學(xué)生了解硅元素的廣泛應(yīng)用，然后自行進行復(fù)習(xí)歸納，加以練習(xí)的方式進行學(xué)習(xí)；或者是在講解硅及其化合物的時候提及，學(xué)生課后自己練習(xí)鞏固的形式，學(xué)生在其中的參與度并不高。

其中劉煥琴老師[11]，采用了布置任務(wù)，由學(xué)生在課前對硅及其化合物的應(yīng)用查閱相關(guān)資料，然后在課堂上分享交流參與討論，最后教師總結(jié)這種先學(xué)后教的設(shè)計，學(xué)生的參與度和自主度就得到了體現(xiàn)。另外南京的江敏老師[10]，通過對中國建筑歷史的追溯，在硅的教學(xué)上融合于社會生活；浙江的魏樟慶老師[12]，強調(diào)文化視角下關(guān)于硅元素的應(yīng)用如玻璃、陶瓷、水晶、光纖等等的教學(xué)上，看得出近年來教師們更加關(guān)注元素教學(xué)與社會生活的融合并進，也側(cè)面凸顯了硅作為無機非金屬材料的主角地位。

雖然硅及其化合物的應(yīng)用廣泛，學(xué)生平日接觸的機會也多，如電腦芯片、光線、太陽能電池等，但是這些物質(zhì)的主要成分學(xué)生卻經(jīng)?；煜植磺迨裁次镔|(zhì)對應(yīng)含硅元素的什么化合物；這一方面是由于知識點本身較散亂，另一方面也是由于教師沒有在教學(xué)過程中很好地體現(xiàn)分類思想，幫助學(xué)生梳理和建立硅元素的應(yīng)用體系網(wǎng)絡(luò)。

四、教學(xué)微設(shè)計

在對所提的問題進行分析后，我們針對這三個問題進行微教學(xué)設(shè)計，為突破三個教學(xué)難點提供建議。

1. 教學(xué)微設(shè)計一：二氧化硅結(jié)構(gòu)教學(xué)

為了使學(xué)生更加直觀地觀察二氧化硅立體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，我們可以考慮在硅的教學(xué)中使用球棍模型進行教學(xué)，由學(xué)生自行拼裝球棍分子模型，對比二氧化碳和二氧化硅的晶體模型的異同，從而突破分子晶體和原子晶體這一概念。通過任務(wù)驅(qū)動，學(xué)生自行收集資料，課上匯報結(jié)晶型和無定型二氧化硅材料的區(qū)別，從而加深學(xué)生對課本中“結(jié)晶型”和“無定型”的理解，見表3。

2. 對二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)教學(xué)的思考

在二氧化硅的性質(zhì)教學(xué)中，關(guān)于二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)的性質(zhì)教學(xué)，主要要解決為什么NaOH溶液可以用玻璃瓶裝，不能用玻璃塞蓋的問題，為此我們介紹高中化學(xué)中未學(xué)習(xí)硅酸鹽檢測試劑——鉬酸銨，并進行設(shè)計實驗探究，從而引導(dǎo)學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生是受到條件的影響的，微設(shè)計如表4。

3. 對硅元素的應(yīng)用教學(xué)的思考

在進行應(yīng)用教學(xué)時，除了盡可能擴充介紹二氧化硅作在材料科學(xué)和信息技術(shù)方面的應(yīng)用，也應(yīng)該注重化學(xué)學(xué)科的分類思想，著重對不同硅材料的不同應(yīng)用進行分類總結(jié)，以解決學(xué)生在硅及其化合物上對應(yīng)用途的錯誤認知。因此我們在教學(xué)活動的設(shè)計上，建議將學(xué)生分三組課下查找對應(yīng)的資料，三組分別查找硅單質(zhì)、二氧化硅以及硅酸鹽的應(yīng)用，并自行制作5分鐘以內(nèi)的微視頻，視頻的形式可以是剪切或者自行拍攝，內(nèi)容為介紹硅或者其化合物的應(yīng)用，教師在整個過程中給予必要的指導(dǎo)和幫助。制作完成后，由學(xué)生們自行在課堂上進行分享展示，在匯報時也可以結(jié)合PPT等多媒體進行輔助，同學(xué)之間相互點評的形式，這樣讓學(xué)生通過查找資料的過程進行梳理，從分類思想的角度對含硅元素的應(yīng)用進行學(xué)習(xí)，充分體驗硅元素作為無機非金屬材料的主角地位，也解決了“硅”元素的應(yīng)用混淆的問題。

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